小学STEM课程中工程思维培养的教学设计研究

发布时间：2016-11-09 16:48

第 1 章 绪论

在当今全球范围内，科学技术的进步推动了社会的急速发展，各个国家都把先进的科学知识与技能放在了核心的发展地位，知识型人才也成为了经济发展的一个决定性因素，数学、科学、工程、技术（STEM）学科也显示出对经济社会的巨大推动作用。进入 21 世纪，美国针对 STEM 教育的改革做的风生水起，其目的是培养更具创新性的人才；我国的 STEM 教育近几年也是迅猛发展，教育领域人士不断的进行探索和研究，希望提出适宜我国学情的方针政策、教学模式等。同时，在当今这个大众创新的时代，工程思维不再局限在所谓的理工科领域，而是被视为创新必备的思维能力。但是现在大家都比较强调高中生、大学生的工程思维能力的培养，有些人甚至忽略小学生，认为他们还不具备这种工程思维能力或者是还不需要培养工程思维。其实从教育的角度而言，工程思维应该覆盖到每一个教育阶段，不应该“脱节”，应该从小进行有意识的培养和构建，帮助学生从小就理解和体会工程对个人、事件、社会的影响，对学生进行工程思维的培养，有助于学生解决复杂的各种问题和挑战。这不仅仅是社会发展的需要、也是培养全面发展的人的需要。目前，在国内，还没有专门针对小学生工程思维培养的方法和策略的研究论述，在这样的研究背景下，笔者提出小学 STEM 课程中小学工程思维培养的教学设计研究。
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第 2 章 研究综述及理论基础

2.1 国内外研究现状

同一年，《巧妙选择教学方法 培养学生工程设计思维》（沈超颖，2006）中阐述在《制药化工过程及设备》课程理论教学中讲解抽象理论的方法，以及如何通过实验教学培养学生工程设计思维，提高课程教学效果。2010 年 6 月 23 日，教育部在天津大学启动“卓越工程师教育培养计划”，其主要目标是培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家、完成工业化和现代化奠定坚实的人力资源优势增强我国的核心竞争力和综合国力。《信息技术课程之工程思维辨析》（王荣良，2012）中运用"科学—技术—工程"三元论考察工程与科学、技术的关系，阐述工程思维的特征，从工程思维视角分析信息技术课程发展和教学内容，并提出通过中小学信息技术课程培养学生的工程思维。

2.2 理论基础

建构主义者认为，知识不是通过教师传授所得，而是学习者在一定的社会文化背景下，通过其他人的辅助，借助相关的学习资料，通过建构的方式来获得的。因此建构主义者认为学习需要有“情境”“协作”“会话”“意义建构”四个要素构成。“情境”是教学设计最重要的内容之一，在建构主义学习环境中，不仅仅是简简单单对教学目标进行分析，还要使所设置的情境必须要有利于学习者对所学内容进行建构。“协作”发生在整个教学过程中，在问题分析、资料搜集、评价交流中都有至关重要的作用。“会话”与“协作”密不可分，也贯穿于整个教学过程中，学习者在“会话”过程中将想法相互共享，大大促进了学习者对新知识的建构。

第 3 章 小学 STEM 课程中培养工程思维的教学模型设计...............11

3.1 克罗多纳的基于设计的科学探究学习循环模型.................11
3.2 工程设计过程 .........11
3.3 LBD 教学理论 .........13
3.4 小学 STEM 课程中工程思维培养的教学模型设计................14
第 4 章 小学 STEM 课程中工程思维培养的教学设计与实施.............17
4.1 研究过程与数据收集方法.....17 
4.2 第一轮课程实施............18 
4.3 第二轮课程实施..........28
第 5 章 研究总结与反思展望..........39
5.1 研究总结.........39
5.2 反思展望..........39

第 4 章 小学 STEM 课程中工程思维培养的教学设计与实施

4.1 研究过程与数据收集方法

本研究主要采用教师评分表、学生自评表来收集数据。并根据在教学实施后收集到的数据分析本环节存在的问题，反思问题出现的原因，并对教学方案进行改进与完善，进行下一轮研究。1. 教师评分表。本研究根据前人对学生工程思维的评价量表（王颖，2014）、STEM 评价的特点及工程思维的一般评价标准制订了教师课堂评价表，分别从工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维三个方面来评价学生整个课堂中的表现，以此来反映教学设计中的不足，便于后期对教学模型进行改进。教师评价表参见附件。2. 学生自评表工程思维是一种过程性、连续性的思维方式，需要在工程的整个完成过程中形成和发展。培养学生的工程思维，需要从工程思考，方案设计，结构把握，实施及完善等方面进行分析，笔者把以上方面汇总为三个部分，分别从工程决策思维、工程设计思维和工程实施思维三方面统计学生工程思维的整体发展情况，其中 A 代表完全可以、B 代表基本可以、C 代表少数可以、D 代表基本不可以。学生自评表参见附件。

4.2 第一轮课程实施

教师创设以下情境，老师想要用手机看一个《超级演说家》的视频，可是一直拿在手中看会非常的累，同学们有什么解决办法？通过同学们的回答，引出可以通过手机支架来解决。然后展示已有的手机支架，让同学们回想一下有没有见过手机支架？见过的手机支架是什么样子的？有什么作用？让同学们选择一个印象最深的手机支架描述一下，并且利用教师现有的手机支架体验手机支架带来的便利，激发学生学习的积极性，促使学生对问题“手机支架为什么可以支撑手机？它利用了什么样的原理？”有了解欲望，，教师总结本节课的任务为设计手机支架，并介绍工程设计的过程——澄清问题、设计规范也约束、生成概念、分析概念、实验、评价与记录工程日志的方法。

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第 5 章 研究总结与反思展望

5.1 研究总结

本论文是在 STEM 教育背景下对学生工程思维培养的一次实践探索。笔者通过文献阅读研究对 STEM 和工程思维进行了界定，并且在此基础上借鉴国内外STEM 教育的教学模型，构建 STEM 课程下学生工程思维培养的教学模型，探索STEM 培养的新模式。回顾整个研究，主要的研究成果有以下几点：1. STEM 在美国和欧洲国家的迅速发展，给国内外教育带来了新的变革与机遇，本文通过文献研究，梳理了国内外在 STEM 中的常见的克罗多纳的科学探究模型、LBD 教学模型以及工程设计过程的相关理论，笔者在参与学校 STEM 课程的教研与实施过程中，发现了培养学生能够立足实际情境解决问题的需求，在此基础上结合笔者在上海世界外国语中学及 CidLab 教育实验室的教学实践，设计了学生工程思维的教学模型，为以后培养小学生工程思维教学设计提供了参考。

5.2 反思展望

目前 STEM 教育在国内刚刚起步，对国内教育和课程改革的影响也会随着研究的深入而不断发展，而工程思维作为 STEM 教育中重要的组成部分，一直被国内外专家学者重点研究。本论文只是分析了国内外现有的模型，结合自己的教育实践进行改进，因此不够全面和具体。其次，本研究针对的是四年级 3D 打印这一门课程，对其他的科目和年级探索不足。另外，本研究在教学方案设计上虽然不断改进，解决了教学中出现的一些问题，但是仍然有些问题没能很好的解决，对以后提供了研究的空间。基于以上不足的分析，希望以后能够继续在其他的 STEM 课程和年级中开展研究与探索，并根据实际效果反馈不断修正完善自己的教学设计模型。

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参考文献（略）

本文编号：169372